机械机床毕业设计62数控车床刀架及其液压系统的设计.doc
机械机床毕业设计62数控车床刀架及其液压系统的设计
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机械机床毕业设计62数控车床刀架及其液压系统的设计,机械毕业设计论文
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第 1 页 1 引言 1.1 毕业设计的 背景 及目的 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。 随着机械制造生产模式的演变 ,对机械制造装备提出了不同的要求 .在 50 年代“刚性 ”生产模式下，通过提高效率，自动化程度 ,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济 ”实现降低成本和提高质量的目的。在 70 年代主要通过改善生产过程管理来进一步提高产品质量和降低成本。在 80 年代，较多地采用数控机床 ，机器人，柔性制造单元和系统等高技术的集成来满足产品个性化和多样化的要求，以满足社会各消费群体的不同要求。从 90 年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高 ,采用拟实制造和快速成形制造技术 1。 工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致 “刚性 ”强 ,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是 “一个工人，一把刀，一台机床 ”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距 ,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重 1。 通过这次毕业设计，可以达到以下目的： 1，培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力； 2，强化工程实践能力和意识 ,提高本人综合素质和创新能力； 3，使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练 ,提 高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力； 4，培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。 nts 第 2 页 1.2 国内外 数控车床的 研究状况和成果 1949 年帕森公司正式接受美国空军委托，在麻省理工学院伺服机构试验室的协助下，开 始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于 1952 年试制成功世界第一台数控机床试验性样机，这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的 第一代 2。 1953 年，美国空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究，这就是创制 APT(Automatically Programmed Tools )自动编程系统的开始。 1955 年，美国空军花费巨额经费订购了大约 100 台数控机床 ,此后两年，数控机床在美国进入迅速发展阶段 ,市场上出现了商品化数控机床。 1958 年，美国克耐 杜列克公司 (Keaney &Trecker Co.)在世界上首先研制成功带自动换刀装置的数控机床，称为 ”加工中心 ”。 1959 年，计算机行业研 制出晶体管元器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印制电路板，从而跨入第二代数控时代。同时美国航空工业协会 (AIA)和麻省理工学院发展了 APT 程序语言。 1960 年以后，点位控制机床在美国得到迅速发展 ,数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到冲压机、绕线机、焊接机、火焰切割机、包装机和坐标测量机等，在程序编制方面，已由手工编程逐步发展到采用计算机自动编程。除了 APT 数控语言外，又发展了许多自动骗程语言。 从 1960 年开始，德国，日本等先进工业国家都陆续开发，生产及使用了数控机床， 1965 年，出现了小规模集成电路。由于它体积小，功耗低，使用数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代 【 2】 。 1967 年，英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS(Flexible Manufacturing System，柔性制造系统 )。之后，美，欧，日也相继进行开发与应用。 1970 年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。 1974 年美，日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近 20 年来，微处理机数控系统的搂控机床得到飞速发展和广泛应用，这 就是第五代数控系统 (MNC)。 nts 第 3 页 20 世纪 80 年代初，国际上又出现了柔性制造单元 FMC(FleibieManufacturing Cell) 3。 我国从 1958 年开始研究数控机床，一直到 20 世纪 60 年代中期还处于研制，开发时期。当时，一些高等院校 ,科研单位研制出试验样机，是从电子管起步的。 1965 年，国内开始研制晶体管数控系统。 20 世纪 60 年代末至 70 年代初研制成了劈锥数控铣床，数控非圆齿轮插齿机。 CIL18 晶体管数控系统及 Z53K1G 立式数控铣床。 从 20 世纪 70 年代开始 ,数控技术在车，铣 ， 镗 ,磨，齿轮加工，电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海，北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可靠性 ,稳定性末行到解决，因此末能广泛推广。 20 世纪 80 年代，我国从昌本发那科公司引进了 3,5,6,7 等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机等制造技术，以及引进美国 GE 公司的 MCI 系统和交流伺服系统，德国西门子 VS 系列可控硅调速装置，并进行了商品化生产 .这些系统可靠性高，功能齐全。与此同时，还自行开发了 3、 4、 5 轴联动的数控系统以及双电机驱动的同步数控系统 (用于火焰切割机 )和新品种的伺服电机，推动了我国数控机床稳定发展，使我国数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。 1985 年，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床，重型数控机床都相继研制出来。为了跟踪国外现代制造技术的发展，北京机床研究所研制出了 JCS-FMS-1 型和 2 型的柔性制造单元和柔性制造系统。这个时期，我国在引进，消化国外技术的基础上，进行了大量开发工作。一些较高档次的数控系统 (5 轴联动 )，分辨率为 0.02 m 的高精度数控系统，数字仿型数控系统为柔性单元配套的数控 系统都开发出来了，并造出样机。 我国的数控技术经过 “六五 ”， “七五 ”， “八五 ”，到 “九五 ”的近 20 年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发，生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。“十五 ”攻关开发的成果：华中 号、中华 号、航天 号和蓝天 号 4 种基本系统建立了具有中国自主版机的数控技术平台。具有中国特色济型数控系统经过这些年来的发展，有了较大的提高。它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚 3。 nts 第 4 页 目前我国数控机床生产厂有 100 多家，生产数控机床配套产品的企业有 300 余家，产品品种包括八大 类 2000 种以上。目前已新开发出数控系统 80 余种，分为 3 种型级，即经济型，普及型和高级型。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，数控机床新开发品种 300 余种，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到期际上 20 世纪 80 年代中期水平，部分达到 90 年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。 1.3 设计内容和研究方法 本课题设计一台数控车床 -CK20，用于对回转零件的圆柱面，圆弧面，圆锥面，端面，切槽，及各种公、英制螺纹等进行批量、高效、高精度的自动加工。该数控车床可以用于机械， 汽车，航空航天等领域，实现加工自动化，提高产品质量，高生产效率。本次设计的主要内容为： 1，数控车床 CK20 总体布局的设计； 2，数控车床回转刀架的结构设计及总装图的绘制； 3，数控车床刀架，液压夹盘，尾座套筒等部分液压控制系统设计； 4，数控车床数控系统的设计； 5，典型零件数控加工程序的编制； 6，外文资料的翻译。 CK20 数控车床回转刀架的结构设计及其液压控制系统的设计为本次毕业设计的重点内容，同时也是难点。通过广泛查阅文献资料，参观数控车床实物样机以及组内同学相互讨论等途径，拟定了如下的研究手段： (1)，本次 研究的数控车床床身采用卧式斜床身结构。因为车床的床身是整个车床的基础支承件，是车床的主体，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。床身的结构对车床的布局有很大的影响。按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身的结构有 后斜床身斜滑板，直立床身 直立滑板，平床身 平滑板，前斜床身 平滑板和平床身 斜滑板等五种，它们各自有自己的优点和局限性，采用什么样的床身要根据实际情况定。一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多。只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身平滑板结构，而立床身结构采用得较少。平 床身工艺性好，易于加工制造，由于车床刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处 ,，但床身下部空间小，排屑回难。平床身斜滑板结构，再配置向上 倾 斜导轨防护罩，这样既保持nts 第 5 页 了平床身工艺性好的优点，而且床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛采用，是因为这种布局有以下的优点： 1） 易实现机电一体化； 2） 机床外观整齐 ,美观 ,占地面积小； 3） 容易设置封闭式防护装置； 4） 容易排屑和安装自支排屑器； 5） 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度； 6） 宜人性好 ,便于操作； 7） 便于安装机械手，实现单机自动化。 机床床身的五种结构形式图示如下： (a) 斜床身 斜滑板 (b) 直立床身 直立滑板 (c) 平床身 平滑板 (d) 前斜床身 平滑板 (e) 平床身 斜滑板 图 1.1 床身结构示意图 nts 第 6 页 (2)，数控车床的刀架采用回转刀架。回转刀架的换刀分为刀盘抬起、刀架锁紧和刀盘转位三个动作。其中 刀盘抬起和刀架锁紧由液压来实现，而刀盘转位则由伺服电机来驱动。刀盘抬起动作的实现须经以下步骤：数控系统发出刀盘抬起命令 液压系统启动 压力油进入液压缸右腔 活塞向左运动 刀架主轴向左移动 端齿盘脱离啮合 刀盘抬起。刀盘转位动作的实现顺经以下步骤：数控系统发出刀盘转位的命令 伺服电机启动 蜗轮蜗杆转动 刀架主轴转动 实现刀盘转位 .刀盘锁紧动作的实现顺经以下的步骤： 数控系统发出刀盘锁紧命令 液压系统启动 压力油进入液压缸左腔 活塞向右运动 刀架主轴向右移动 端齿盘啮合 实现刀盘锁紧。 图 1.2 回转刀架示意图 (3)，本车床数控系统选用日本 FANUC公司的 FANUC系统 .因为就目前来说，国内各数控机床用得最多的也是 FANUC系统，因为它具有以下的优点： 1） 高可靠性及完整的质量控制体系。 2） 采用大规模及超大规模的专用集成电路芯片。 3） 全自动化工厂生制造。 4） 良好的控制软件设计。 5） 数字式进给伺服和数字式主轴驱动 4。 (4)，尾座套筒及主轴夹盘的控制亦采用液压来实现。因为液压控制具有操作方便，工作可靠等特点。 nts 第 7 页 2 数控车床刀架结构设计及计算 2.1 车床刀架的功能 ,类型和应满足的要求 2.1.1 车床刀架的功能 机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀 具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电 (液 )换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为加工中心的主要特征 5。 2.1.2 机床刀架的类型 按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主 要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式 ,下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。 1， 排式刀架 排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。它的结构形式为： 夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的 X 坐标轴方向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如图 4 所示。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿 X 轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。 这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。宝鸡机床厂生产的 CK7620P 全功能数控车床配置的就是排式刀架。 2， 回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架， 一般 通过 液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装 4 把、 6 把或更多的刀 具 。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与nts 第 8 页 安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。 3， 带刀库的自动换刀 装置 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。 (a)回转刀架 (b) 排式刀架 图 2.1 机床刀架类型结构图 2.1.3 机床刀架应满足的要求 1）满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件 表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面， 为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。 2）在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好 ，以便长期保持刀具的正确位置。 3）刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。 4） 可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。 5） 刀架是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利nts 第 9 页 于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在 0.86 秒之间不等。而且还在进一步缩短。 6）操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方 6。 2.2 数控车床刀架总体方案设计与选择 2.2.1 刀架的整体方案设计 刀架是车床的重要组成部分，用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响到车床的切削性能和切削效率。根据前部分对机床刀架类型、性能及其使用场合的综合比较，并结 合现有数控车床的实例，本次设计的数控车床 CK20 拟采用回转刀架中的六工位六方刀架。该刀架的换刀动作分为刀盘抬起、刀盘分度转位和刀盘锁紧三个步骤，其中刀盘抬起和刀盘锁紧定位由液压来实现，而刀盘的分度转位于伺服电机驱动。 2.2.2 车床刀架的转位机构方案设计 一般来说，机床刀架的转位机构主要有以下几种： 1，液压（或气动）驱动的活塞齿条齿轮转位机构 这种由液动机驱动的转位机构调速范围大、缓冲制动容易，转位速度可调，运动平稳，结构尺寸较小，制造容易，因而应用较广泛。而转位角度大小可由活塞杆上的限位档块来调整。也有采用气动的，气动的优点是结构简单，速度可调，但运动不平稳，有冲击，结构尺寸大，驱动力小。故一般多用于非金属切削的自动化机械和自动线的转位机构中。 2，圆柱凸轮步进式转位机构 这种转位机构依靠凸轮轮廓强制刀架作转位运动，运动规律完全取决于凸轮轮廓形状。圆柱凸轮是在圆周面上加工出一条两端有头的凸起 =轮廓，从动回转盘（相当于刀架体）端面有多个柱销，销子数量与工位数相等。当圆柱凸轮按固定的旋转方向运动时，有的柱销会进入凸轮轮廓的曲线段，使凸轮开始驱动回转盘转位，与此同时有的圆柱销会与凸轮轮廓 脱离，当柱销接触的凸轮轮廓由曲线段过渡到直线段时，即使凸轮继续旋转，回转盘也不会转动，即完成了一次刀盘分度转位动作。如此反复下去，就能实现多次的刀架换刀操作。由于凸轮是一个两端开口的非闭合曲线轮廓，所以当凸轮正反转进nts 第 10 页 均可带动刀盘正反两个方向的旋转。这种转位机构转位速度高、精度较低，运动特性可以自由设计选取但制造较困难、成本较高、结构尺寸较大。这种转位机构可以通过控制系统中的逻辑电路或 PC 程序来自动选择回转方向，以缩短转位辅助时间。 3，伺服电机驱动的刀架转位 随着现代技术的发展，可以采用直流（或交流） 伺服电机驱动蜗杆、蜗轮（消除间隙）实现刀架转位，转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制加以实现，因而这种转位机构转位速度可以进行精确控制、精度高，结构简单、实现容易。所以在现代数控机床中被广泛采用 6。 结合上述三种转位机构的转位机理和特点，并结合实际情况，本次设计的数控车床CK20 决定采用第三种转位机构 -伺服电机驱动的刀架转位。 2.2.3 刀架定位机构方案设计 目前在刀架的定位机构中多采用锥销定位和端面齿盘定位。由于圆柱销和斜面销定位时容易出现间隙，圆锥销定位精度较高，它 进入定位孔时一般靠弹簧力或液压力、气动力，圆锥销磨损后仍可以消除间隙，以获得较高的定位精度。端齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成，由于齿合时各个齿的误差相互抵偿，起着误差均化的作用，定位精度高。 端齿盘定位的特点： （ 1）定位精度高 由于端齿盘定位齿数多，且沿圆周均布，向心多齿结构，经过研齿的齿盘其分度精度一般可达 3 左右，最高可过 4.0 以上，一对齿盘啮合时具 有自动定心作用。所以中心轴的回转精度、间隙及磨损对定心精度几乎没有影响，对中心轴的精度要求低，装置容易。 （ 2）重复定位精度好 由于多齿啮合相当于上下齿盘的反复磨合对研，越磨合精度越高，重复定位精度也越好。 （ 3）定位刚性好，承载能力大，两齿盘多齿啮合。由于齿盘齿部强度高，并且一般齿数啮合率不少于 90%，齿面啮合长度不少于 60%，故定位刚性好，承载能力大。 考虑到端面齿盘具有以上的各种优点，因而本次设计的刀架采用端面齿盘定位 6。 2.3 车 床刀架 的工作原理 nts 第 11 页 下图所示为回转刀架的结构图，刀架的松开和夹紧 以及刀盘的分度转位分别由液压系统和直流伺服电机来实现。 5 为安装刀具的刀盘，它与轴 6 固定连接，当刀架主轴 6带动刀盘旋转时，其上的端齿盘 4 和固定在刀盘上的端齿盘 3 脱开，旋转指定刀位后，刀盘的定位由端齿盘的啮合来完成。活塞 1 支承在一对推力球轴承上，它们可以通过推力球轴承带动刀架主轴来移动。当车床数控系统发出换刀指令后，刀架上的液压缸右腔通入压力油，活塞 1 及轴 6 在压力油推动下向左移动，通过刀架主轴使端齿盘 3 和 4 脱开啮合，实现刀盘抬起动作。随后伺服电机启动，带动蜗杆 2 和蜗轮 7 转动，经刀架主轴 6 带动刀架的刀盘旋转，实现 刀架换刀动作，转位的速度和角位移均通过半闭环反馈系统进行精确控制。当刀盘旋转到指定的刀位后，数控系统发出信号，指令伺服电机停转，这时，压力油进入液压缸的左腔，推动活塞 1 和刀架主轴 6 向右移动，使端齿盘 3和 4 重新啮合，实现刀盘锁动作。刀盘被定位夹紧并向数控系统发出信号，于是刀架的转位、换刀循环完成。在车床自动工作状态下，当指定换刀的刀号后，数控系统可以通过内部的运算判断，实行刀盘就近转位换刀，即刀盘既可正转也可以反转。但当手动操作车床时，从刀盘方向观察，只充许刀盘顺时针转动换刀。 图 2.2 数控车床回转刀架结构图 2.4 刀架的设计计算 2.4.1 驱动刀架的伺服电机的选择计算 nts 第 12 页 刀架驱动电动机的选择应同时满足刀架运转的负载扭矩 FT 和起动时的加速扭矩 JT 的要求。 1) 刀架负载扭矩 FT 的计算 回转刀架负载扭矩 FT 估算方法如下：由于这种刀架的负载扭矩主要用来克服刀具质量的不平衡，估算按如下的情况进行：用平均重力的刀具插满刀盘的半个圆，根据工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀具的（包括刀柄）平均重力 cpW ，而其重心则设定为离刀架回转中心 2/3 半径处。由以上的方法可知，由于该数控车床采用的是电和液换位的 6 工 位六方 自动 回转 刀架 ，因而插满刀盘的半个圆需要 3 把刀具。设工艺要求所需的每个刀具的平均重力 cpW =4.9N；刀盘的回转中心直径 270D mm 。 则有 12423FPT W D 123 4 . 9 0 . 2 7 1 . 7 6 423 N m m 2) 刀架加速扭矩 Tj 的估算 260 mj m LjnT J Jt Nm6 式中 mn -刀架换刀时的电动机转速 (r/min); jt -加速时间 ,通常取 150 200ms: ; mJ -电动机转子惯量 ( 2kgmg ),可查样本 ; LJ -负载惯量折算到电动机轴上的惯量 ( 2kg m ). 3) 负载惯量折算到电动机轴上的惯量 LJ 的估算 22hiL h iKiJ J m 2kgm 式中 hJ -各旋转件的转动惯量 ( 2kgmg ); h -各旋转件的角速度 ( /rad s ); im -各直线运动件的质量 (kg ); i -各直线运动件的速度 ( /ms); -伺服电机的角速度 ( /rad s )6. 4) 各旋转件的转动惯量 hJ 的估算 由刀架的结构简图可知 ,刀架在完成换刀动作时 ,伺服电机带动其旋转的部件共 3个 ,nts 第 13 页 它们分别是蜗轮蜗杆副 ,刀架主轴和刀盘。因而只需估算这三者的传动惯量即可。 (1) 刀盘转动惯量的计算 刀盘采用烟台环球公司生产的 AK31 系列数控转塔刀架的配套产品，其主要尺寸如下：刀盘外径 1 320D mm ；盘也刀架主轴相连的孔径 1 40d mm ；刀盘宽 56P mm 。 则刀盘的转动惯量 22111 12 2 2h DdJm 2 2 2 21 1 1112 2 2 2 2D d D dP 2 2 2 231 0 . 3 2 0 . 0 4 0 . 3 2 0 . 0 47 . 8 5 1 0 3 . 1 4 0 . 0 5 62 2 2 2 2 =0.45 2kgmg (2) 刀架主轴转动惯量的计算 刀架主轴的转动惯量 2hJ 按如下的方法估算： 刀架主轴的最大直径 m ax 40d mm ；最小直径 m in 25d mm ；刀架主轴长度取 390l mm 。 则刀架主轴的转动惯量 2m a x m i n2 122h ddJm 7 22m a x m i n m a x m i n12 2 2d d d dl 2231 0 . 0 4 0 . 0 2 5 0 . 0 4 0 . 0 2 57 . 8 5 1 0 3 . 1 4 0 . 3 92 2 2 =0.0048 2kgmg (3) 蜗轮蜗杆转动惯量的计算 蜗轮蜗杆的转动惯量 3hJ 的估算方法如下： 设蜗轮的分度圆直径 3 124hD mm ；其与刀架主轴相连的孔径 3 3 2 .5hd mm ；蜗轮齿宽3 10hb mm . 则蜗轮的转动惯量 23331 12 2 2hhh DdJM nts 第 14 页 2 2 2 23 3 3 312 2 2 2 2h h h hD d D db 2 2 2 231 0 . 1 2 4 0 . 0 3 2 5 0 . 0 1 2 4 0 . 0 3 2 57 . 8 5 1 0 3 . 1 4 0 . 0 12 2 2 2 2 =0.002 2kgmg 7 设蜗杆的分度圆直径 32 3 5 .5hD m m ;蜗杆长 200l mm . 则蜗杆的转动惯量 23232 122kh DJM 223 2 3 212 2 2kkDDl 2231 0 . 0 3 5 5 0 . 0 3 5 57 . 8 5 1 0 3 . 1 4 0 . 22 2 2 =0.00024 2kgmg (4) 连轴器转动惯量的计算 由于连轴器已标 准化，查表取连轴器的转动惯量 4 0.0003hJ 2kgmg (5) 对各旋转件的角速度作如下设定： 伺服电机的角速度 1 4 0 0 2 / 6 0 1 4 6 . 5 /r a d s ； 蜗杆的角速度 32 1 4 0 0 2 / 6 0 1 4 6 . 5 /h r a d s ； 蜗轮的角速度 31 1400 2 / 6 0 2 . 4 4 /60h r a d s ； 刀架主轴的角速 2 1400 2 / 6 0 2 . 4 4 /60h r a d s ； 刀盘转位时的角速度 1 1400 2 / 6 0 2 . 4 4 /60h r a d s 。 则将以上计算所得的数据代入下式： 得负载惯量折算到电动机轴上的惯量 nts 第 15 页 22hiL h iKiJ J m 2kgm 2 2 2 2 22 . 4 4 2 . 4 4 2 . 4 4 1 4 6 . 5 1 4 6 . 50 . 4 5 0 . 0 0 4 8 0 . 0 0 2 0 . 0 0 0 2 4 0 . 0 0 0 31 4 6 . 5 1 4 6 . 5 1 4 6 . 5 1 4 6 . 5 1 4 6 . 5 =0.00067 2kgmg 取 1 6 0 0 .1 6jt m s s；刀架换刀时伺服电机的转速 1 4 0 0 / m i nmnr ；伺服电动机转子转动惯量 20 . 0 0 0 0 3mJ k g m g。 则刀架加速扭矩 260 mj m LjnT J Jt Nmg 2 3 . 1 4 1 4 0 00 . 0 0 0 0 3 0 . 0 0 0 6 76 0 0 . 1 6 =0.32 Nmg 5) 驱动电动机输出扭矩 DT 的估算 7 驱动电动机的输出扭矩 DT 应同时满足刀架负载扭矩 FT 和加速扭矩 JT 之和，将以上计算的刀架负载扭矩和加速扭矩换为驱动电动机轴上的输出扭矩 DT 的公式为： FFD TTT Nmg 式中 -传动效率 取 0.75。 则有 FFD TTT 1 . 7 6 4 0 . 3 22 . 7 80 . 7 5 Nmg 考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电动机额定转矩 sT 应为 DT 的 1.2 1.5: 倍。 所以取 1 . 3 1 . 3 2 . 7 8 3 . 6sDTT g Nmg 经查阅西门子电机手册，选项用西门子 1FT6 交流伺服电动机。该电机的额定转速为1500r/min，额定输出转矩为 5Nmg ，额定功率为 0.4kW。 2.4.2 蜗轮蜗杆的设计计算 2.4.2.1 各参数的取定 nts 第 16 页 本 刀架的转位机构是采用 直流伺服电机驱动蜗杆、蜗轮（消除间隙）实现刀架的转位，其中蜗轮蜗杆副的传动比取 i 60，伺服电机的转速取 n 1400 /minr ；刀架的转位速度设计为 1 2 3 / m i n 0 . 4 /n r r s，由于刀盘为 6 工位刀盘，则该刀架换一次刀的最大耗时不到 1s 9。 2.4.2.2 蜗轮蜗杆副的设计计算 设计的普通圆柱蜗杆传动的功率为 0.3p kw ，蜗杆的转速为 1 1 4 0 0 / m innr ，传动比为 12 60i ，传动反向，工作载荷稳定，但有不大的冲击，要求设计寿命为 12000hLh 。 对蜗轮蜗杆的设计计算如下； (1).选择蜗杆传动类型 根据 / 1 0 0 8 1 9 8 8G B T 的推荐，采用渐开线蜗杆（ ZI ）。 (2).选择材料 根据库存材料的情况，并考虑到蜗杆传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用 45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为 40-45 HRC。蜗轮用铸锡磷青铜 10 1ZCuSn P ，金属模铸造。为了节约贵 重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁 HT100 制造。 (3).按齿面接触疲劳强度进行设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。 23 2 EHZZa K T 1) 确定作用在蜗轮上的转矩 2T 按 1 1Z ，估取 效率 0.8 ，则 2T = 61 1 29 .5 5 1 0 /Pni= 6 0 . 3 0 . 89 . 5 5 1 01 4 0 0 / 6 0 N m m g= 9 8 3 6 9 .1 N m m 2) 确定载荷系数 K 因为工作载荷稳定，故取载荷分布不均系数为 1K ；由西北工业大学机械原理及机械零件教研室编著的机械设计教材表 11-5 选取使用系数 1.15AK ；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数 1.05VK ；则 nts 第 17 页 AVK K K K =1 . 1 5 1 1 . 0 5 1 . 2 3) 确定弹性影响系数 EZ 因选用的是铸锡青铜轮和钢蜗杆相配，故 12160EaZ M P 。 4) 确定接触系数 Z 先假设蜗杆分度圆直径 1d 和传动中心距 a 的比值 1 / 0.35da ，从图 11-18 中可查得Z =2.9 。 5) 确定许用接触应力 H 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 10 1ZCuSn P ，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度 45HRC， 可从表 11-7 中查得蜗轮的基本许用应力为 268HaMP 。 应力循环次数 72 14006 0 6 0 1 1 2 0 0 0 1 . 7 1 060hN j n L 寿命系数 78 710 0 . 9 41 . 7 1 0HNK 则 0 . 9 4 2 6 8 2 5 0 . 8H N H aH K M P g 6) 计算中心距 23 1 6 0 2 . 91 . 2 9 8 3 6 9 . 1 7 3 . 9 32 5 0 . 8a m m 取中心距 a=80mm，因 60,i 故从表 11-2 中取模数为 m=2mm，蜗杆分度圆直径1 35.5d mm 。 这时 1 / 3 5 . 5 / 8 0 0 . 4 4da ，从图 11-18 中可查得接触系数 2.70Z ，因为 2.70Z Z ，因此以上计算的结果可用。 (2) 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 1) 蜗杆 轴向齿距 3 . 1 4 2 6 . 2 8ap m m m 直径系数 1 / 3 5 . 5 / 2 1 7 . 7 5q d m m m 齿顶圆直径 *11 2 3 5 . 5 2 2 3 9 . 5aad d h m m m 齿根圆直径 *11 2 ( ) 3 5 . 5 2 2 3 1 . 5fad d h m c m m nts 第 18 页 分度圆导程角 1 1 01t a n ( / ) t a n ( 1 / 1 7 . 7 5 ) 3 . 2 2zq 蜗杆轴向齿厚 11 3 . 1 4 2 3 . 1 422as m m m 图 2.3 蜗杆的结构图 1) 蜗轮 蜗轮齿数 2 62z ；变位系数 2 0.125x 验算传动比 1262 621zi z ，这时传动比误差为 6 2 6 0 0 . 0 3 3 3 3 3 . 3 %60 ，是允许的。 蜗轮分度圆直径 22 2 6 2 1 2 4d m z m m 蜗轮喉圆直径 *2 2 22 ( ) 1 2 4 2 2 (1 0 . 1 2 5 ) 1 2 8 . 5aad d m h x m m 蜗轮齿根圆直 *2 2 22 ( ) 1 2 4 2 2 ( 1 0 . 1 2 5 1 ) 1 1 5 . 5fad d m h x c m m 蜗轮咽喉母圆半径 22118 0 1 2 8 . 5 1 5 . 7 522gar a d m m 图 2.4 蜗轮的结构图 (4) 校核齿 根弯曲疲劳强度 22121 . 5 3F F a FKT YYd d m 当量齿数 22 33 62 6 2 . 2 9c o s c o s 3 . 2 2v zz r 根据 2 0.125x ， 2 62.29vz ，从图 11-19 中可查得齿形系数 2 2.25FaY 。 nts 第 19 页 螺旋角系数 03 . 2 21 1 0 . 9 7 71 4 1 4 0rY 许用弯曲应力 F F F NK g 从表 11-8 中查得由 10 1ZCuSn P 制造的蜗轮的基本许用弯曲应力 56FaMP 寿命系数 69 710 0 . 5 6 51 . 7 1 0FNK 5 6 0 . 5 6 5 3 1 . 6 4FaMP 1 . 5 3 1 . 2 9 8 3 6 9 . 1 2 . 2 5 0 . 9 7 7 2 6 . 5 73 5 . 5 1 2 4 2 MP 弯曲强度满足要求。 (6) 精度等级公差和表面粗糙度的确定 考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从 GB/T100891988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择 8 级精度，侧隙种类为 f，标注为 8f GB/T100891988。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度 ，此处从略 9。 2.4.3 刀架主轴的结构设计计算 由刀架装配图可知，刀架主轴的支承方式为两端游动支承，其一端与刀盘固连，另一端与液压缸的活塞间隙配合，同时起到左端支承作用。而轴的中间部位由刀盘至液压缸的方向分别与圆柱滚子轴承和蜗轮相连，圆柱滚子轴承起右支承作用。已知伺服电机的功率为 0.3kW，电机转速 1 1 4 0 0 / m innr ，取经蜗轮蜗杆副传动的效率 0.96 ，蜗轮蜗 杆副的传动比 60i 。 1) 先求出刀架主轴上的传递功率 2P 、转速 3n 和转矩 3T 2 0 . 3 0 . 9 6 0 . 2 8 8P P k W 31 1 1 4 0 0 / 6 0 2 3 . 3 / m i nn n ri 于是 33 3 0 . 2 8 89 5 5 0 0 0 0 9 5 5 0 0 0 0 1 1 8 0 4 2 . 92 3 . 3PT N m mn g 2) 初步确定轴的最小直径 由式 03PdAn 可初步估算设计轴的最小直径。 式中： 0A 为系数，轴的 材料不同，则 0A 的值会不同； nts 第 20 页 P 为轴传递的功率，单位为 kW ； d 为计算截面处轴的直径，单位为 mm； n 为轴的转速，单位为 /minr ； 选取轴的材料为 45 钢，调质处理。根据表 153，取 0 105A ，于是得 3m i n 0 3 0 . 2 8 8331 0 5 2 4 . 2 72 3 . 3Pd A m mn 从而取轴的最小直径为 m in 25d mm ；轴的最大直 径为 m ax 40d mm 9。 图 2.5 刀架主轴结构图 nts 第 21 页 3 车床液压系统设计与计算 3.1 刀架液压控制系统液压泵及油泵电动机的选择计算 由于该刀架刀盘的松开和夹紧均由液压系统通才液压缸活塞的往反运动来实现，当车床在切削加工时， 刀具所受的切削力由端 面 齿盘通过螺栓卸荷给刀架 ，为使刀架在强力切削下能稳妥可靠地工作，液压缸必须有足够的拉紧力拉住刀盘，使用于夹紧定位的端面 齿盘在车床切削过程中始终处于啮合状态。因而液压泵及油泵电动机的配置对液压系统的工作性能有重要的影响 7。 3.1.1 液压油泵的选择 选择油泵的主要依据是压力和流量，一般来说，齿轮泵价格低，维修方便，但当 系统压力达到较大值时，输油压力脉动大，噪声大。不宜作数控机床的油源；叶片泵的输油压力脉动小，噪声小。因而被广泛用于数控机床的主要油源。所以本液压系统的液压泵选用叶片泵。 3.1.2 油泵电动机功率的选择计算 1） 油泵工作压力的计算 油泵工作压力 sp 应等于液压缸的工作压力 0p 和油液在管道中流动时产生的压力损 失 p 之和。即 0sp p p （ 1）液压缸工作压力的估算 对于中小型的数控车床，通常推荐液压缸的拉紧力为 10 20kN: 。液压缸 活塞的有效工作面积设定为 20.0043Sm ；则该刀架液压缸的工作压力 0 3.5 ap Mp 。 （ 2）油液压力损失 p 的估算
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